泥水平衡盾构用海水泥浆的改性试验研究

由于海水中富集大量可溶性盐类及各种金属离子成分,利用海水配置的海水泥浆具有相对密度大、胶体率低、稳定性差、失水量高等特点,不能满足泥水平衡盾构施工要求。为实现对海水泥浆改性以达到利用海水泥浆维持开挖面稳定,降低穿江越海盾构施工成本,选用CMC（羧甲基纤维素钠）、纤维素PAC（聚阴离子纤维素）、聚丙烯酸铵等8种添加剂进行海水泥浆性质变化试验,优选出对海水泥浆改性明显的添加剂,并分析优选添加剂掺入量和时间对海水泥浆性质的影响规律。同时,基于优选的添加剂CMC,利用泥膜形成试验平台进行改性海水泥浆地层渗透试验。研究表明：不同添加剂对海水泥浆性质变化差异较大,增黏剂PAC、CMC对海水泥浆的改性效果稍好,24 h离析出现浑浊层、混合层、絮凝沉淀层。海水泥浆对地层渗透的滤水量大于改性海水泥浆,泥皮也稍厚,但呈稀疏状态。可以推测,添加剂中和部分海水成分,呈絮凝沉淀,多余添加剂表现出对淡水泥浆的增稠作用。     

粉砂地层中浓泥土压盾构泥膜效应引起的孔压变化规律试验研究

为了减小盾构机在粉砂地层中掘进时对地层的扰动及地表沉降的影响,针对粉砂地层渗透性大、内摩擦角高的情况,提出一种新型浓泥土压盾构施工技术,使用自制的土舱渗透试验装置,开展了3组不同泥浆添加量下混合土中泥浆渗透试验,研究混合土及地层中孔压的变化,分析应力的传递规律。基于室内试验结果开展了现场孔压监测试验,研究泥浆的添加对地层中孔压的影响。研究结果表明:泥浆添加量大于25%时,在开挖面表层处中出现泥膜效应;盾构掘进过程中泥浆添加量越大,地层中孔压的变化率越小,当添加量达到8m~3/环时,其孔压变化率仅为25%～45%;浓泥土压盾构泥膜类型只有渗透型泥膜,且渗透成膜前伴随泥浆颗粒损失。该研究结果对浓泥土压盾构在实际工程中的应用以及向砂砾石及砂卵石地层的推广具有重要的意义。     

砂土地层泥水盾构泥膜形成时间及泥浆压力转化率的试验研究

泥水盾构施工中,维持开挖面稳定的关键是要在开挖面及时形成微渗透的泥膜,才能将泥浆压力转化为有效应力来平衡开挖面的土压力。开挖面处的泥膜是动态泥膜,所以泥膜的形成时间是影响泥膜能否有效支护开挖面稳定的重要因素。利用自行设计的泥膜形成时间测量试验装置,在3种地层中,利用5种泥浆开展泥浆渗透成膜试验,研究泥膜的形成时间及相关规律。研究表明,在泥皮型渗透中泥膜的形成时间一般为10 s左右,泥浆性质及粒径对泥膜的形成时间有重要影响。讨论了国内外部分大型泥水盾构泥膜形成时间,发现泥膜从破坏到形成、再到破坏的时间间隔为5～20 s不等,因此,在实际施工中需要调整泥浆性质,使泥膜形成时间小于泥膜从破坏到再破坏的时间。     

泥浆在地层中的渗透特性试验研究

保持开挖孔（槽）的稳定性是泥浆在地下连续墙、钻孔灌注桩及泥水盾构工法等工程中最重要的作用,是通过泥浆在地层表面形成泥皮,使得泥浆压力平衡地层的土水压力实现的。其中,泥皮的形成是泥浆在地层中的渗透问题。为了探讨泥浆在地层中的渗透规律,采用多组性质不同的泥浆在多种渗透性不同的地层中开展泥浆在地层中的渗透试验,系统地展示了泥浆在地层中不同的渗透现象。渗透完成后泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮或渗透带3种类型,并且泥浆在地层中的渗透曲线的类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态的类型有一定的对应关系。泥浆在地层中的渗透试验过程中渗透流量的大小,不仅可以反映泥浆的渗透类型,还可以作为判断是否形成泥皮的标准。     

泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响

泥水盾构以压力泥浆支护开挖面,泥膜的形成对开挖面稳定非常重要,尤其在高渗透性地层,泥浆极易穿透地层直接渗出而不能形成所需的支护压力。以南京长江隧道为背景,详细阐述了泥膜的作用原理及泥膜质量的评价指标,并通过自行设计的成膜装置开展泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量的影响试验研究。试验结果表明,泥浆颗粒级配及密度相同时,泥浆粘度高,物理稳定性好,则泥膜形成容易,形成泥膜薄、致密,滤水量小。试验结果对泥水盾构施工具有指导意义。     

盾构气压开舱条件下的泥膜闭气失效理论研究

近年来,泥水盾构工法在越江跨海隧道中被广泛应用,在泥水盾构施工过程中,带压开舱始终是一个高风险、高难度技术环节。盾构带压开舱能否成功的关键在于泥膜的闭气性能。然而,一直以来泥膜闭气破坏机制、闭气时间及其影响因素从理论上较少探讨。对此,首先考虑了气体对泥膜中孔隙水的驱替作用,建立了泥膜压气从渗流启动-击穿渗透带的多相流模型,提出了泥膜压气渗水量和闭气时间评估方法;然后开展了室内渗透柱泥膜压气破坏试验,验证了所提出理论方法的适用性;最后探讨了气压、地层参数、泥膜厚度、泥浆剪切强度等参数对闭气时间的影响规律,揭示了盾构带压开舱以“泥皮为主、渗透带为辅”的闭气作用。研究成果对泥水盾构带压开舱的安全保障有一定的借鉴意义。     

泥水盾构泥膜动态形成机制研究

随着大直径泥水盾构的广泛应用,盾构掘进过程切削成层土的可能性越来越大,常规的静力平衡的方法不能有效地控制开挖面的稳定。从泥膜形成的机制入手,将泥水仓中的泥浆视为由液相和颗粒相组成的两相流,将开挖地层视为多孔介质,利用多相流在多孔介质中的渗流特性提出了泥膜动态形成的过滤模型。此模型将泥膜视为控制体,并认为泥膜形成过程中遵守质量守恒和体积守恒定律,从边界条件上认为单位时间内从单元体内排出水量与土体积的压缩量相等。过滤模型较好地揭示了泥水盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程和开挖地层力学性质的动态变化过程,对泥水盾构正面稳定有较为重要的意义。     

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜,泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上,建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型,分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用,总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数,分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明：在无刀具切削作用时,泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响;在刀具周期性切削作用下,在相同的切削深度下,刀具切削周期越短,泥膜在开挖面上越难形成;刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜;适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量,降低盾构掘进速度和刀盘转动速度,有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大,对开挖面稳定起到积极作用。     

碱渣改良膨胀土室内试验研究

通过室内试验,探讨利用碱渣作为添加剂对膨胀土改良的可行性和改良效果和碱渣改性土的基本物理力学性质和膨胀性。研究结果表明,随着掺渣率的增加,碱渣改性土的黏性成分的含量降低,粗颗粒含量增加,导致相对密度、液限、塑性指数、自由膨胀率、有荷膨胀量均呈明显减小趋势,这说明碱渣对膨胀土膨胀性的改良有显著效果;碱渣改性土可击实含水率范围较之膨胀土宽,这给碱渣改性土的施工带来很大方便;经过7 d养护后的土样无侧限抗压强度和抗剪强度都显著增加,并在掺渣率为30%时存在一个峰值点。抗剪强度增强主要体现在黏聚力显著增加,而内摩擦角变化不大。     

泡沫改良砂卵石土的试验研究

砂卵石土具有内摩擦角大、流动性差、渗透系数大等特点,在砂卵石地层的盾构施工时会引起出土困难、刀盘磨损、地下水喷涌等问题。通过泡沫优化试验,得到泡沫半衰期及发泡倍率最优时的发泡液浓度为2%～3%。基于四川成都地铁7号线茶店子站至一品天下站区间砂卵石地层,配制卵、砾石含量为20%、40%、60%、80%的土体,掺入泡沫进行室内大型剪切试验、坍落度试验和渗透试验,发现随着泡沫注入率的增加,包裹在砂卵石土周围泡沫土的含量增加,砂石分离现象逐渐消失,抗剪强度和内摩擦角呈非线性降低,坍落度逐渐增大,抗渗性能明显提高,并得到了不同含石量砂卵石土满足盾构施工中“理想状态土体”要求的泡沫注入率。研究成果对砂卵石地层盾构掘进中的相关问题解决具有一定的意义。     

地铁隧道盾构施工引起的工程性地面沉降研究

基于上海地区地铁隧道盾构施工引发的工程性地面沉降机理分析,采用数值分析和数学拟合方法,对盾构埋深、地层损失率、盾构半径和穿越土层性质等因素与地面沉降影响范围和最大沉降量之间的基本规律分别进行了深入的分析研究,给出了它们之间各自的定量关系式,并在盾构施工实例中进行了分析和验证。     

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。     

低含水率盾构泥浆的真空 电渗联合泥水分离技术试验研究

在地下盾构隧道施工中会产生大量的高含水率泥浆,由于泥浆中含有膨润土及泡沫剂等高分子添加剂,具有高含水、低渗透、塑流性强等特性,在其运输中容易出现抛撒滴漏等环境污染问题,而且在泥浆堆放时会污染环境和占用大量土地资源,有时堆放不当还会形成地质灾害。为此,课题组开展了隧道盾构泥浆泥水分离技术试验研究,首先研制了真空-电渗联合排水试验装置,利用该装置对经过沉淀初步处理的泥浆分别进行真空负压、电渗及真空-电渗联合泥水分离试验。试验结果表明:采用真空-电渗联合泥水分离法优于真空和电渗单一方法,真空-电渗联合方法既可以排出泥浆中的自由水,也可以排出渗透结合水,处理后的泥浆含水率大大降低,接近塑限,泥浆被有效硬化,通过试验优化了真空-电渗联合泥水分离工艺,给出泥水分离步骤,即首先进行沉淀初步处理、再进行电渗排水、进而进行真空+电渗联合排水。从试验结果可以看出,采用真空-电渗联合方法可以有效解决泥浆水分离问题,利于绿色安全运输,大大节约运输成本,而且处理后的泥浆可以直接资源化利用。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

苯酚溶液作用下CMC改性膨润土化学相容性试验研究

膨润土的聚合物改性可有效提升竖向阻隔屏障化学相容性。有机污染物、聚合物种类对改性膨润土防渗性能研究鲜有报道。通过膨胀指数、改进滤失试验,研究苯酚溶液作用下羧甲基纤维素钠(CMC)改性膨润土的膨胀和渗透性能,结合傅里叶红外光谱分析,评价CMC分子链的特征基团对提升化学相容性的作用机理。相同苯酚浓度条件下CMC改性膨润土的膨胀指数(SI)较母土测定结果高1.5~2.5倍。同一孔隙比范围内,改性作用使膨润土渗透系数(k)降低一个数量级。CMCⅢ改性膨润土防渗性能相对最优。研究范围内,聚合物分子量和取代度未显示对SI和k的影响规律。CMC改性提升化学相容性的主因有:(1)聚合物水凝胶对膨润土颗粒间的大孔隙具有堵塞作用;(2)特征基团(羧酸根、羧基)与苯酚的酯化反应等相互作用,以及苯酚与水凝胶中水分子的氢键作用阻碍苯酚迁移,从而减轻其对压缩蒙脱石黏土矿物双电层的不利影响。     

不分散低固相钻井液体系在张掖平山湖矿区中的应用

平山湖矿区第四系、第三系地层属于遇水不稳定地层,钻探施工时,地层造浆严重、孔径扩大率高,造成钻探事故频发、施工效率低。采用以聚合物为主要添加剂的不分散低固相钻井液体系在该矿区进行了应用试验,有效地抑制了粘土造浆及泥页岩水化膨胀,取得了很好的效果。     

考虑盾构铰接作用的小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降分析

目前针对小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降的理论研究均将盾构机视为一个连续的整体,未考虑盾构机铰接装置带来的影响,由此不能正确评估小曲率盾构开挖路径变化带来的超挖效应等。首先,根据盾构机铰接位置以及盾构机与小曲率隧道开挖路径的几何位置关系,得到了小曲率隧道开挖过程中不同盾构铰接位置超挖量及盾构铰接角计算公式;其次,基于镜像法及Mindlin解,求解了铰接盾构施工时因超挖地层损失、盾尾地层损失、开挖面不均匀推力、盾壳不均匀摩擦力及盾尾处注浆压力等共同影响的地层沉降;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到较好的一致性。此外,针对隧道转弯半径、前盾长度、盾构铰接角及超挖量等进行了参数分析。分析结果表明：不考虑盾构铰接装置的影响将过高估计地层损失而导致地层沉降预测值偏大。随着转弯半径的减小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量的增加,地层沉降增大,但其值变化均对开挖面前方沉降影响较小,对开挖面后方沉降影响较大。在开挖面后方,随着与开挖面距离的增大,当转弯半径取值较小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量取值较大时,纵向地表沉降呈先增大后减小趋势。     

软土地层地下连续墙成槽护壁泥浆研究

含砂性土等软土地层地下连续墙成槽施工,基槽侧壁易扰动坍塌,影响地下连续墙施工质量。降低泥浆失水量、适当提高泥浆粘度和防塌是护壁成槽的关键。结合宁波轨道交通车站基坑地下连续墙成槽施工,采用部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、聚丙烯腈钙(CPAN)和硝基腐植酸钾(NKHm)作为添加剂,根据正交试验测定泥浆性能优化配比。研究表明：PHP失水量小,泥皮薄;CPAN和NKHm对降失水量效果明显,粘度适中。将试验结果应用于工程实践,护壁效果好。     

最优分段法在静探试验数据处理中的应用

在研究盾构法隧道施工对地层扰动影响的课题中，采用了静力触探仪进行原位测试，测定了盾构动态推进引起周围土体的比贯入阻力Ps值的变化。针对测试时间、范围、数量有限的特点，利用最优分段法对试验数据进行了聚类处理，分析结果表明该方法在地层受盾构施工扰动的一般规律认识上具有参考意义。     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。